Halveringstid med terningkast

Elevøvelse gjennomført 6.12.12

Av Tuva Klunderud

Utstyr:

20 terninger

Excel regneark

Om radioaktiv stråling og halveringstid
En atomkjerne består av protoner og nøytroner. I et grunnstoff er antallet protoner likt for alle atomene, men antall nøytroner i kjernen kan variere. Atomer med ulikt antall nøytroner kalles ulike isotoper. På illustrasjonen nedenfor ser vi ulike stoffer, med et nukleontall etter seg. Nukleontallet viser hvor mange protoner og nøytroner atomkjernen inneholder. Fra periodesystemet vet vi at uran er grunnstoff nummer 92, og derfor har 92 protoner. Men nukleontallet her er 234. Tar vi 234 - 92, ser vi at dette uran-isotopet har 142 nøytroner. 
 

Radioaktiv stråling er energi, utsendt fra ustabile atomkjerner (isotoper), skyldes reaksjoner som skjer i atomkjernen. Stoffer med ustabile atomkjerner, kalles derfor radioaktive stoffer. Den ustabile atomkjernen sender ut energi, for å oppnå stabil tilstand. Når kjernen sender ut energi, sender den ut protoner, nøytroner, elektroner eller elektromagnetisk stråling. Dette kommer an på hva slags stråling det er. Ved å sende ut denne energien, endrer atomet oppbygning og det blir spaltet til et lettere atom – altså det endres til et annet grunnstoff.
Et eksempel på dette er når en urankjerne blir spaltet til et lettere stoff, og ender med en blykjerne.

De radioaktive kjernene frigjør energi på to måter: Ved å sende ut partikkelstråling og ved å sende ut elektromagnetisk stråling.

Partikkelstråling sendes ut i form av alfastråling (a) eller betastråling (β). Alfastråling er en form for frigjøring av energi, ved at det sendes ut alfapartikler. Et alfapartikkel består av to protoner og to nøytroner, som sendes ut fra den ustabile atomkjernen. Dette tilsvarer en heliumkjerne. Ved å sende ut to protoner, blir atomnummeret til atomet to mindre, og vi får et nytt grunnstoff.  

Når et atom sender ut betastråling, sender det ut elektron fra atomkjernen i stor fart. Atomkjernen består av protoner og nøytroner, men nøytroner kan omdannes til et proton og et elektron. Elektronet har stor bevegelses energi og farer ut av kjernen, mens protonet blir igjen. På denne måten for atomet et nøytron mindre og et proton mer, ved å sende ut betastråling, og blir omdannet til et nytt grunnstoff med et høyere atomnummer – et proton mer.  

Elektromagnetisk stråling sendes ut i form av gammastråling (γ). Gammastråling er stråling som ofte etterfølger alfa- eller betastrålig. Dette er fordi at ved å sende ut alfa- eller betastrålig, blir atomet eksitert, og sender ut elektrisk stråling for å gå tilbake til grunntilstand. Denne elektriske strålingen – gammastrålingen, har høy energi, og veldig kort bølgelengde.

Halveringstiden er den målte hastigheten for hvor lang tid det tar før halvparten av alle atomkjernene i et radioaktivt stoff har sendt ut energi i form av stråling, og ikke lenger er radioaktive. Med andre ord er halveringstid hvor lang tid det tar før halvparten av det radioaktive stoffet går fra å være ustabilt til å være stabilt, ved å omdannes til et annet grunnstoff. Men et radioaktivt stoff kan også omdannes til et annt stoff, som også er radioaktivt.

Halveringstiden for et stoff avhenger av sannsynligheten for at atomkjernen blir spaltet i løpet av et visst tidsrom. Ved stor sannsynlighet for at atomkjernen blir spaltet er det kort halveringstid. Mens ved liten sannsynlighet for at atomkjernen blir spaltet er det lang halveringstid. Noen stoffer har en halveringstid på kun brøkdeler av et sekund, mens andre har en halveringstid på milliarder av år.

Hensikt med forsøket

Hensikten med forsøket var å stimulere halveringstiden til et radioaktivt stoff, ved hjelp av terninger. På denne måten fikk vi et bilde av hvordan halveringsprosessen foregår, og vi kunne regne ut hvor lang tid halveringsprosessen tok i dette forsøket.

Fremgangsmåte

Vi kastet 20 terninger, ti ganger etter hverandre, i fem serier. Etter hvert kast tok vi ut alle sekserne, og kastet på nytt med de gjenværende terningene. Hver sekser ”symboliserte” i dette forsøket en atomkjerne som hadde blitt spatltet, utstrålt energi og blitt omdannet til et annet grunnstoff. For hvert kast tok vi ut alle sekserne vi fikk - fordi disse var "ferdig spaltede atomkjerner". Som sagt kastet vi ti ganger, eller til det ikke var flere seksere igjen. Utviklingen i de fem seriene ser du i tabellen under: 

I tabellen er det merket av hvor antall terninger var halvert.

Resultat

På hvilken måten kan vi si at terningkast kan brukes til å stimulere halveringstiden til et radioaktivt stoff? Dette kan vi ved å tenke oss at terningene kastes en gang i minuttet. Deretter finner vi ut hvor mange kast det må til, før antall terninger er halvert. Antall kast viser hvor lang tid det tar før det radioaktive stoffet – i dette tilfellet antall terninger, er halvert.

I følge tabellen ser vi at antall terninger omtrentlig er halvert etter fire kast, da det  er 49 terninger igjen. Om vi beregner det i tid kan vi si at halveringstiden er fire minutter.

Kilder

http://ndla.no/nb/node/44767?fag=7

http://ndla.no/nb/node/58742

http://ndla.no/nb/node/44768?fag=7